Έχετε αναρωτηθεί ποτέ πώς λειτουργούν τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα που επιτρέπουν σε συσκευές υψηλής ταχύτητας να εκτελούν εργασίες σε χιλιοστά του δευτερολέπτου; Η απάντηση μπορεί να βρίσκεται σε ένα από τα πιο ιδιόρρυθμα και συναρπαστικά στοιχεία της σύγχρονης ηλεκτρονικής: το δίοδος σήραγγαςΕπίσης γνωστό ως Δίοδος EsakiΑυτή η συσκευή, αν και λιγότερο συχνή στα συμβατικά ηλεκτρονικά, έχει μοναδικές ιδιότητες που της προσδίδουν βασικό ρόλο σε εφαρμογές υψηλής συχνότητας και υψηλής ταχύτητας.
Σε αυτό το άρθρο, θα εμβαθύνουμε στον κόσμο των διόδων σήραγγας, την προέλευσή τους, την κβαντική τους λειτουργία, τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται, τα ιδιαίτερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους, τα πλεονεκτήματα και τους περιορισμούς τους, καθώς και τις τρέχουσες εφαρμογές τους. Θα εξετάσουμε επίσης συγκεκριμένα μοντέλα όπως το 1N3716 ή η 1N3755Ετοιμαστείτε να ανακαλύψετε γιατί αυτό το μικροσκοπικό εξάρτημα έφερε επανάσταση στον κλάδο και πώς, παρά τους περιορισμούς του, παραμένει απαραίτητο στις τεχνολογίες αιχμής.
Τι είναι μια δίοδος σήραγγας ή Esaki;
El δίοδος σήραγγας, επίσης λέγεται Δίοδος Esaki Ονομάστηκε από τον εφευρέτη της Λέο Εσάκι, ο οποίος τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1973, είναι ένας ειδικός τύπος διόδου ημιαγωγών που χαρακτηρίζεται από το έντονα ντοπαρισμένη σύνδεση PN και στενό. Αυτή η έντονη πρόσμιξη επιτρέπει ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο γνωστό ως φαινόμενο σήραγγας, όπου οι φορείς φορτίου διασχίζουν το φράγμα δυναμικού ακόμη και όταν, σύμφωνα με τους κλασικούς νόμους, δεν θα έπρεπε να το κάνουν.
Σε σύγκριση με τις τυπικές διόδους σήματος, των οποίων η επαφή PN έχει σημαντικά χαμηλότερη συγκέντρωση ακαθαρσιών (περίπου 1 μέρος στα 108), η δίοδος σήραγγας ανεβάζει την πρόσμιξη σε ακραία επίπεδα, με περίπου 1 μέρος στα 103Αυτό παράγει ένα εξαιρετικά στενή ζώνη εξάντλησης ή φτώχειας, το οποίο είναι το κλειδί για την εκδήλωση του φαινομένου της σήραγγας.
Αρχή λειτουργίας: Φαινόμενο κβαντικής σήραγγας
Η λειτουργία του α δίοδος σήραγγας Βασίζεται στην κβαντομηχανική, όπου υπάρχει μια πεπερασμένη πιθανότητα τα ηλεκτρόνια, αν και δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να διασχίσουν ένα δυναμικό φράγμα από την κλασική άποψη, να μπορούν να περάσουν μέσα από αυτό σαν να «κάνουν σήραγγα» μέσα από αυτό. πιθανότητα σήραγγας αυξάνει όσο χαμηλότερο είναι το φράγμα, κάτι που επιτυγχάνεται ακριβώς με υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων στην επαφή PN της διόδου.
Μαθηματικά, η πιθανότητα P ενός σωματιδίου να διασχίσει ένα φράγμα εξαρτάται εκθετικά τόσο από το ενέργεια φραγμού (Εβ) από του ancho (Δ):
P α exp(-A × Eb × W)
Όπου A είναι μια σταθερά που σχετίζεται με τις ιδιότητες του υλικού. Το κλειδί είναι ότι, στη δίοδο σήραγγας, αυτό το φράγμα είναι τόσο λεπτό που ακόμη και μια ενέργεια χαμηλότερη από τη θεωρητική είναι επαρκής για να το διασχίσουν τα ηλεκτρόνια.
Κατασκευή και υλικά: Πέρα από το πυρίτιο
Σε αντίθεση με τις συμβατικές διόδους πυριτίου, διόδους σήραγγας Συνήθως κατασκευάζονται με γερμανικό, αρσενικούχο γάλλιο o αντιμονίδιο γαλλίουΟ λόγος για τον οποίο δεν χρησιμοποιείται πυρίτιο είναι ότι τα προαναφερθέντα υλικά επιτρέπουν καλύτερη αναλογία μεταξύ μέγιστου ρεύματος (ρεύμα κορυφής) και ελάχιστου ρεύματος (ρεύμα κοιλάδας), απαραίτητη στις πρακτικές εφαρμογές του εξαρτήματος. Μια κανονική σύνδεση PN έχει μια περιοχή εξάντλησης σημαντικού πάχους. Στη δίοδο σήραγγας, αυτή η περιοχή είναι έως και 100 φορές στενότερη, περίπου 10 νανόμετρα.
La υψηλή συγκέντρωση ακαθαρσιών και στις δύο πλευρές της επαφής PN σημαίνει ότι οι περισσότεροι φορείς φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές) υπάρχουν σε μεγάλες ποσότητες, ευνοώντας το φαινόμενο σήραγγας ακόμη και σε πολύ μικρές διαφορές δυναμικού. Κατά συνέπεια, καθίσταται μια εξαιρετικά ευαίσθητη συσκευή, κατάλληλη για εξαιρετικά γρήγορη εναλλαγή.
Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά: Αρνητική αντίσταση και καμπύλες VI
Ένα από τα πιο εντυπωσιακά χαρακτηριστικά της διόδου σήραγγας είναι ότι δείχνει αρνητική αντίσταση σε ένα τμήμα της χαρακτηριστικής καμπύλης τάσης-ρεύματος (VI). Αυτό σημαίνει ότι, καθώς αυξάνεται η ορθή τάση, το ρεύμα αρχικά αυξάνεται γρήγορα μέχρι να φτάσει σε ένα μέγιστο (σημείο κορυφής), αλλά στη συνέχεια, εάν η τάση αυξηθεί περαιτέρω, το ρεύμα μειώνεται σε ένα ελάχιστο (σημείο κοιλάδας) και στη συνέχεια αυξάνεται ξανά όπως σε μια συμβατική δίοδο.
Αυτό το φαινόμενο, το ζώνη αρνητικής αντίστασης, αποτελεί τη βάση για πολλές εφαρμογές διόδων σήραγγας, όπως η παραγωγή ταλαντώσεων υψηλής συχνότητας. Η χαρακτηριστική καμπύλη μπορεί να συνοψιστεί στα ακόλουθα βασικά σημεία:
- Αρχική ζώνη αγωγιμότητας: το ρεύμα αυξάνεται με την αύξηση της άμεσης τάσης.
- Σημείο κορυφής: μέγιστο ρεύμα (Ip) με αντίστοιχη τάση (Vp).
- Ζώνη αρνητικής αντίστασης: το ρεύμα μειώνεται ακόμη και αν η τάση αυξηθεί, μέχρι να φτάσει στο σημείο της κοιλάδας.
- Σημείο κοιλάδας: ελάχιστο ρεύμα (Iv) με τάση κοιλάδας (Vv).
- Από εδώ και στο εξής, η συμπεριφορά είναι παρόμοια με αυτή μιας κοινής διόδου.
Στην αντίστροφη προκατάληψη, το δίοδος σήραγγας Έχει επίσης σημαντική αγωγιμότητα, χάρη στο φαινόμενο σήραγγας, επιτρέποντας την κυκλοφορία υψηλού αντίστροφου ρεύματος ακόμη και σε χαμηλές τάσεις.
Ηλεκτρικό σύμβολο και ισοδύναμο κύκλωμα
El συμβολογία Η αναπαράσταση της διόδου σήραγγας στα ηλεκτρικά σχηματικά μπορεί να διαφέρει ελαφρώς, αλλά ουσιαστικά δείχνει μια επαφή PN με ένα διακριτικό σχήμα που υποδηλώνει την ειδική συμπεριφορά της. Η άνοδος (P) και η κάθοδος (N) διαφοροποιούνται σαφώς.
Για ανάλυση κυκλώματος, χρησιμοποιείται ένα μοντέλο ισοδύναμο μικρού σήματος που περιλαμβάνει:
- ένα αρνητική αντίσταση (-Ro) που σχετίζεται με την περιοχή αρνητικής αντίστασης.
- ένα σειριακή αυτεπαγωγή (Ls) στους ακροδέκτες της διόδου.
- ένα χωρητικότητα σύνδεσης (C).
Αυτός ο συνδυασμός στοιχείων αντικατοπτρίζει τη συμπεριφορά της διόδου σήραγγας σε εφαρμογές υψηλής συχνότητας και είναι απαραίτητος για την πρόβλεψη της απόκρισής της υπό διαφορετικές συνθήκες.
Κύριες εφαρμογές των διόδων σήραγγας
Εξαιτίας του εξαιρετική ικανότητα γρήγορης αλλαγής της οδηγικής κατάστασης, η δίοδος σήραγγας ενδείκνυται ιδιαίτερα για:
- Ταλαντωτές μικροκυμάτων και υψηλής συχνότηταςΕκμεταλλεύονται την αρνητική ζώνη αντίστασης για να δημιουργήσουν και να διατηρήσουν σταθερές ηλεκτρικές ταλαντώσεις, απαραίτητες στις τηλεπικοινωνίες, τα ραντάρ και τα ασύρματα συστήματα.
- Ενισχυτές ανάκλασης: χρησιμοποιείται σε διαμορφώσεις όπου απαιτείται ενίσχυση σε συχνότητες όπου τα συμβατικά τρανζίστορ δεν λειτουργούν καλά.
- Διακόπτες υψηλής ταχύτητας: χάρη στην σχεδόν ακαριαία μετάβαση μεταξύ καταστάσεων οδήγησης και μη οδήγησης.
- Μετατροπείς συχνότηταςΗ ικανότητά του να λειτουργεί τόσο σε εμπρόσθια όσο και σε αντίστροφη πόλωση επιτρέπει τη χρήση του σε μίκτες σήματος.
- Λογικές μνήμες σε ψηφιακά κυκλώματα: η σταθερότητά του στη ζώνη αρνητικής αντίστασης χρησιμοποιείται για προσωρινή αποθήκευση πληροφοριών.
Αν και προσφέρουν πλεονεκτήματα για υψηλή συχνότητα, δεν είναι κατάλληλα για συμβατική διόρθωση λόγω του σημαντικού ρεύματος διαρροής αντίστροφης πόλωσης, το οποίο περιορίζει την ευρεία χρήση του.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της διόδου σήραγγας
El δίοδος σήραγγας Έχει μοναδικές ιδιότητες, με πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που πρέπει να ληφθούν υπόψη. Μεταξύ των πλεονεκτημάτων του, ένα εξαιρετικά γρήγορη ταχύτητα λειτουργίας y χαμηλό θόρυβοΩστόσο, έχει και περιορισμούς, όπως π.χ. χαμηλή μέγιστη ισχύς και περιορισμοί στην τάση λειτουργίας.
- Πλεονέκτημα:
- Εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα λειτουργίας, κατάλληλο για μεταγωγή και παραγωγή σήματος σε ζώνες μικροκυμάτων.
- Χαμηλό κόστος κατασκευής και κατασκευαστική απλότητα σε σύγκριση με άλλες συσκευές υψηλής συχνότητας.
- χαμηλό επίπεδο θορύβου κατά τη διάρκεια της επέμβασης.
- Καλή περιβαλλοντική ανοσία και μεγάλη διάρκεια ζωής χάρη στην στιβαρή κατασκευή του.
- Μειονεκτήματα:
- Χαμηλή μέγιστη ισχύς, καθιστώντας το ακατάλληλο για εφαρμογές που καταναλώνουν ενέργεια.
- Περιορισμένες έξοδοι τάσης και διακυμάνσεις στο σήμα εξόδου.
- Δεν υπάρχει απομόνωση μεταξύ εισόδου και εξόδου όντας μια συσκευή δύο ακροδεκτών.
- Δυσκολία στην παραγωγή μεγάλης κλίμακας και περιορισμοί σε ορισμένες τυπικές εφαρμογές.
Μοντέλα και παραδείγματα: Δίοδοι σήραγγας 1N3716 και 1N3755
Μεταξύ των ιστορικών και πιο χρησιμοποιημένων μοντέλων διόδους σήραγγας ξεχωρίζουν το 1N3716 y 1N3755, δημοφιλή σε εργαστήρια μικροκυμάτων, τηλεπικοινωνιακούς σταθμούς και σχεδιασμό πρωτοτύπων. Και τα δύο χαρακτηρίζονται από το ότι επιτρέπουν πολύ υψηλές συχνότητες λειτουργίας και αποκρίνονται αποτελεσματικά σε περιοχές αρνητικής αντίστασης. Γνώση συγκεκριμένων τύπων όπως η δίοδος Schottky μπορούν να συμπληρώσουν την κατανόηση αυτών των συσκευών σε ορισμένα πλαίσια.
El 1N3716 Παρουσιάζει μια χαρακτηριστική καμπύλη τυπική των διόδων σήραγγας, με σχετικά χαμηλή μέγιστη τάση και βέλτιστη ταχύτητα απόκρισης για εφαρμογές μικροκυμάτων και γρήγορη μεταγωγή. Από την πλευρά του, το 1N3755 Προσφέρει παρόμοιες προδιαγραφές αλλά ποικίλλει σε λεπτομέρειες όπως η τάση λειτουργίας και το εύρος ρεύματος, επιτρέποντας τη χρήση του σε συγκεκριμένες διαμορφώσεις ηλεκτρονικών υψηλής συχνότητας.
Σύγκριση με άλλους τύπους διόδων
Ο κόσμος των διόδων διαθέτει ένα ευρύ φάσμα παραλλαγών, όπως διόδους σήματος, διόδους Zener, διόδους Schottky ή διόδους ανορθωτή. δίοδος σήραγγας Διακρίνεται κυρίως από:
- Δεν είναι χρήσιμο για διόρθωση λόγω του υψηλού ρεύματος διαρροής αντίστροφης πόλωσης.
- Να μπορώ να αλλάζω κατάσταση πολύ πιο γρήγορα από τις διόδους Schottky ή άλλες διόδους υψηλής ταχύτητας.
- Εμφάνιση μιας περιοχής πολύ έντονη αρνητική αντίσταση (ανύπαρκτο στις υπόλοιπες κοινές διόδους).
- Απαιτώ συγκεκριμένα υλικά και προσμίξεις για τη βέλτιστη λειτουργία του, σε αντίθεση με το πυρίτιο της συνηθισμένης διόδου.
Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τη δίοδο σήραγγας εξειδικευμένη σε εξειδικευμένες αγορές όπου άλλες συσκευές δεν μπορούν να ανταγωνιστούν, αν και η χρήση της σε ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης είναι περιορισμένη.
Λεπτομερής λειτουργία: Φάσεις του κύκλου VI
Για να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά του, είναι απαραίτητο να αναλύσουμε κάθε φάση της χαρακτηριστικής καμπύλης του:
- Εφαρμόζοντας μια μικρή συνεχή τάση, οι φορείς φορτίου διέρχονται από την επαφή χάρη στο φαινόμενο της σήραγγας, παράγοντας χαμηλότερο ρεύμα.
- Με την αύξηση της έντασης, οι ζώνες σθένους και αγωγιμότητας επικαλύπτονται, προκαλώντας μια ταχεία αύξηση του ρεύματος μέχρι να φτάσει στο σημείο κορυφής.
- Μετά την κορύφωση, η κακή ευθυγράμμιση των ζωνών μειώνει τη διάνοιξη σήραγγας, μειώνοντας το ρεύμα προς το σημείο της κοιλάδας.
- Καθώς οι εντάσεις συνεχίζουν να αυξάνονται, η συμπεριφορά μοιάζει με αυτή μιας συμβατικής διασταύρωσης και το ρεύμα αυξάνεται ξανά.
- Υπό αντίστροφη προκατάληψη, το φαινόμενο της σήραγγας επιτρέπει ακόμη σημαντικό ρεύμα, αν και η μέγιστη αντίστροφη τάση είναι συνήθως χαμηλή.
Συνθήκες χρήσης και όρια λειτουργίας
El δίοδος σήραγγας μπορεί να αντέξει σχετικά υψηλές συνεχείς τάσεις, με ορισμένα μοντέλα να φτάνουν έως και 500 V, αλλά του μέγιστη αντίστροφη τάση (PIV) Συνήθως είναι χαμηλή, περίπου 40 V στα πιο συνηθισμένα παραδείγματα. Είναι σημαντικό να έχετε κατά νου αυτόν τον περιορισμό για να αποφύγετε ζημιές.
Η σχέση μεταξύ μέγιστο ρεύμα και ρεύμα κοιλάδας Είναι μια βασική παράμετρος για την επιλογή του σωστού μοντέλου, ειδικά σε εφαρμογές ταλαντωτών και ενισχυτών όπου απαιτείται σταθερότητα και πλάτος σήματος στην περιοχή αρνητικής αντίστασης.
Καθημερινές καταστάσεις όπου χρησιμοποιείται η δίοδος σήραγγας
Παρά την περιορισμένη χρήση τους, διόδους σήραγγας βρίσκονται σε:
- Εξοπλισμός επικοινωνίας μικροκυμάτων.
- Μετρητές υψηλής συχνότητας.
- Πηγές σήματος σε εργαστήρια ηλεκτρονικής φυσικής.
- Συστήματα ραντάρ που απαιτούν απόκριση νανοδευτερολέπτων.
Παρά την εισαγωγή νέων τεχνολογιών και υλικών, η ταχύτητα και η αξιοπιστία τους τα διατηρούν επίκαιρα σε ορισμένους εξειδικευμένους τομείς.
